Über die Messung der natürlichen Strahlung und des Tageslichtes an Gebäuden.

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1 Vortrag LiTG Fachausschuss Tageslicht Kolloquium Energieverbrauch für Beleuchtung in Gebäuden Über die Messung der natürlichen Strahlung und des Tageslichtes an Gebäuden. Dipl.-Ing. Z. Özver-Krochmann und Dipl.-Ing. (FH) Stefan Hiltawsky PRC Krochmann GmbH 1. Einleitung Um auf der einen Seite durch Energieeinsparungen einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten und auf der anderen Seite den Menschen ein gesundes Wohnen und Arbeiten zu fördern, wird seit einiger Zeit Tageslicht im Innenraum verstärkt genutzt. Bei der Betrachtung der Tageslichtnutzung unter dem Aspekt der Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes kommt es dabei sowohl auf lichttechnische Gütemerkmale und Energieeinsparung, als auch auf die Beachtung des Wärmehaushalts des Gebäudes an. Die Messung der natürlichen Strahlung und des Tageslichtes spielt dabei in vielfältigen Anwendungen eine wichtige Rolle: Erstellung einer Datenbasis für die energetische und lichttechnische Berechnung von Gebäuden Datenerfassung in Modell- und Testräumen Steuerung bzw. Regelung von Beleuchtungsanlagen Überprüfung der Innenraumbeleuchtung 2. Messeinrichtungen zur Ermittlung des natürlichen Angebotes an Tageslicht und Einstrahlung im Außenbereich Um die Gegebenheiten des natürlichen Strahlungsangebots im Außenbereich ausreichend exakt zu erfassen, sind präzise lichttechnische und strahlungsphysikalische Messeinrichtungen nötig. Sie müssen wasser-, schnee-, wind-, frost- und UV-fest sein, um eine lange Lebensdauer für die meistens erforderlichen Langzeittests zu gewährleisten. Die Messköpfe müssen gut thermostatisiert, bestenfalls klimatisiert sein, um die Temperaturabhängigkeit der Empfänger bei den erheblichen Temperaturschwankungen im Außenbereich auszugleichen und Vereisung und Tauwasser zu vermeiden. Die photometrischen Empfänger sollten über eine gute V(λ)-Anpassung verfügen, um einen Einfluss des veränderlichen Sonnenspektrums auszuschließen. Zur Messung der Globalstrahlung eignen sich besonders Pyranometer (Bild 1) mit einem möglichst großen Wellenlängenbereich. Bild 1: Pyranometer von Kipp und Zonen Bild 2: Sun Tracker

2 Mit diesem Messgerät kann bei der entsprechenden geometrischen Aufstellung die Globalstrahlung (horizontal) oder die vertikale Gesamtstrahlung erfasst werden. Mit Hilfe eines Sun Trackers (Bild 2) kann die senkrechte Bestrahlungsstärke gemessen und hieraus die Sonnenscheindauer ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Sonnenscheindauer mit speziellen Sonnenscheinsensoren (Bild 3) zu ermitteln. Bild 3: Sonnenscheinsensor Bei der Erfassung der lichttechnischen Merkmale des Tageslichts sind folgende Messgrößen relevant: Globalbeleuchtungsstärke E h (horizontale Messung der Beleuchtungsstärke ohne Verbauung) Vertikale Beleuchtungsstärke E v Diffuse Beleuchtungsstärke E dif (Messung der Beleuchtungsstärke mit Abschattung des direkten Sonnenlichtes) Direkte Beleuchtungsstärke E d Himmelsleuchtdichte L Beispiele für Messgeräte Bild 4: Tageslichtmesskopf 910 GV Bild 5: Tageslichtmesskopf FET-GV mit 5 mit 5 Empfängern zur Mes- Empfängern zur Messung der Beleuchsung der Beleuchtungsstärke tungsstärke

3 Bild 6: FET Empfänger Bild 7: Tageslichtmesskopf mit 5 FET- Empfängern zur Messung der Beleuchtungsstärke Es wurden Tageslichtmessköpfe mit unterschiedlichen Qualitäten entwickelt: FE: Tageslichtmesskopf für Außenmontage ohne Thermostatisierung FET: Tageslichtmesskopf für Außenmontage mit Thermostatisierung 910 G: Tageslichtmesskopf für Außenmontage mit Peltierkühlung Der Skyscanner ist ein Photometer zur schnellen Messung (18 sek.) von Leuchtdichteverteilung des Himmels. Er ist zum wartungsfreien Gebrauch von Langzeitaußenmessung geeignet. Bild 8: Skyscanner 3. Messeinrichtungen für Modell- und Testräume Es ist oft schwierig, sich in Gebrauch befindliche Räume (abgesehen von psychologischen Bewertungen) für die detaillierte Messung von lichttechnischen Daten über längere Zeit zu benutzen. Außerdem ist die Vergleichbarkeit oft nicht gegeben. Deshalb werden maßstabsgerechte Modellräume mit Photometern außen und innen benutzt. Für den verkleinerten Innenraum sind Empfänger mit sehr kleinen Empfängerflächen sinnvoll. Werden Messungen im Innenraum durchgeführt, ist es sinnvoll, die Beleuchtungsstärkeverteilung in einem Messraster bei unterschiedlichen Sonneneinstrahlungen aufzunehmen. Hierzu sind Multikanalsysteme mit automatischer Messwerterfassung notwendig.

4 Bild 9: Mini-Photometerkopf 4. Steuerung bzw. Regelung von Beleuchtungsanlagen Bild 10: Museumsbeleuchtungsstärkesensor Zur elektronischen Dimmung und Schaltung von Beleuchtungsanlagen und/oder Tageslichtlenkeinrichtungen gibt es Systeme, die durch einen Außensensor und ein Berechnungsalgorithmus die Innenbeleuchtung steuern. Ebenfalls möglich sind in den Räumen angebrachte Sensoren (Bild 10), die in Kombination mit einer Elektronik die Beleuchtung an das Tageslicht anpassen. Der Vorteil von außen angebrachten Sensoren ist, dass mit nur einem oder sehr wenigen Sensoren die Beleuchtung eines gesamten Gebäudes gesteuert werden kann. Die Berechnung der erforderlichen Tageslichtergänzungsbeleuchtung ist allerdings nicht trivial und benötigt die Daten über die Beschaffenheit der zu beleuchtenden Räume. Ist in jeder Leuchte ein Sensor integriert oder zumindest in jedem Raum ein Sensor installiert, ist die Abstimmung mit den Raumgegebenheiten unproblematisch. Die Genauigkeit der benutzten Sensoren kann gegenüber Messeinrichtungen erheblich geringer sein. 5. Überprüfung der Innenraumbeleuchtung Für eine einfache Überprüfung der Beleuchtungsstärke im Innenraum reicht ein Handluxmeter (Bild 11) aus. Bild 11: Radiolux 111 Durch die Messung in einem Messraster kann die Verteilung der Beleuchtungsstärke z. B. in der Nutzebene aufgenommen werden. Will man weitere Erkenntnisse über den visuellen Komfort des Nutzers erhalten, ist die Messung der Leuchtdichten aus der Position des Raumnutzers relevant. Insbesondere ist die Messung der Leuchtdichten und Leuchtdichteunterschiede am Fenster und/oder der Tageslichtlenkeinrichtung von Bedeutung. Mit einem Tageslichtquotienten-Messgerät (D-Meter) können Aussagen über die Effizienz der Tageslichtnutzung gewonnen werden. Der Tageslichtquotient ist als Verhältnis der Beleuchtungsstärke in einem Punkt in einer gegebenen Ebene, die durch direktes und/oder indirektes Himmelslicht bei angenommener oder bekannter Leuchtdichtedichteverteilung des

5 Himmels erzeugt wird, zur Horizontalbeleuchtungsstärke bei unverbauter Himmelshalbkugel definiert. Die Anteile des direkten Sonnenlichtes an beiden Beleuchtungsstärken bleibt hierbei unberücksichtigt. Sofern keine andere Leuchtdichteverteilung des Himmels angegeben wird, gilt der Tageslichtquotient für die Beleuchtung durch den bedeckten Himmel. Für die Messung kann durch ein Leuchtdichtemessgerät überprüft werden, ob der Leuchtdichtverlauf für den definierten bedeckten Himmel gegeben ist: L ( 1+ 2sinγ) L γ = z 3 Weitere Messgrößen sind winkelabhängiger Transmissionsgrad der Fenster sowie der Verschmutzungsgrad k Messung von lichttechnisch relevanten Baustoffen Zur Berechnung des Tageslichts im Innenraum und der Gesamteinstrahlung sind die spektralen Daten von Verglasungen nötig. Aus der spektralen Reflexion und Transmission können nach DIN EN 410 die Größen Lichttransmissionsgrad und Lichtreflexionsgrad unter D65, Strahlungstransmissionsgrad τ e, sekundärer Wärmeabgabegrad nach innen q i und der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-wert) berechnet werden. Spektrale Messungen einer Isolierverglasung 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 Transmissionsgrad Reflexionsgrad - Strahlungseinfall auf die Außenseite 0,200 0,100 0, Wellenlänge in nm Für genauere lichttechnische Untersuchungen sind darüber hinaus die Reflexionseigenschaften der Raumbegrenzungsflächen von Bedeutung.